數控機床加工精度異常的診斷處理與預防

當前，數控機床在生產(chǎn)制造行業(yè)得以普遍應用。以航空制造業(yè)為例，生產(chǎn)活動(dòng)離不開(kāi)數控機床。在實(shí)際應用中，機床可能發(fā)生多種多樣的故障，其中加工精度異常是為常見(jiàn)的問(wèn)題。在生產(chǎn)活動(dòng)中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿(mǎn)足設計標準要求，直接影響車(chē)間正常的生產(chǎn)計劃。本文結合實(shí)際案例，探討加工精度異常的形成原因，提出相應的診斷處理和預防方法。
1　數控機床加工精度異常的常見(jiàn)原因
1.1　機械傳動(dòng)部件故障
THM6350臥式加工中心，由寧江機床廠(chǎng)生產(chǎn)，數控系統采用FAGOR8055。機床在銑削殼體時(shí)，Z軸進(jìn)給異常造成過(guò)切，切削誤差量為1mm?，F場(chǎng)調查發(fā)現，故障具有突發(fā)性，進(jìn)給軸處于點(diǎn)動(dòng)模式、MDI模式，能夠正常進(jìn)給，而且能正?；氐絽⒖键c(diǎn)，不存在報警信息，因此電氣硬件故障可以排除。故障檢查包括以下幾點(diǎn)：
（1）機床精度異常時(shí)的加工程序段，以刀具的長(cháng)度補償為重點(diǎn)，對加工時(shí)設定的坐標系進(jìn)行再次計算，以檢驗準確性。
（2）處于點(diǎn)動(dòng)模式下，對Z軸進(jìn)行多次運動(dòng)，此時(shí)聽(tīng)見(jiàn)Z軸出現異常聲響，快速點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)下，這個(gè)噪聲更大，可以確定是機械系統出現故障。
（3）檢查Z軸的運動(dòng)精度，輔助應用手搖脈沖發(fā)生器，對Z軸進(jìn)行移動(dòng)，將手脈倍率定位為1×100擋，輔助利用百分表，分析Z軸的運動(dòng)是否正常。首先確定運動(dòng)精度滿(mǎn)足要求，然后朝著(zhù)正向進(jìn)行運動(dòng)，在手脈變化的同時(shí)，Z軸運動(dòng)距離始終為0.1mm，可見(jiàn)電機正常運動(dòng)，定位滿(mǎn)足精度要求。
反映到機床的運動(dòng)位移量上，包括以下四個(gè)階段：階段，機床運動(dòng)距離d1＞d=0.1mm；第二階段，電機進(jìn)給量d-0.1mm＞d2＞d3；第三階段，機床機構沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的移動(dòng)，表現為反向間隙；第四階段，機床的運動(dòng)距離與手脈的給定值數值相等。說(shuō)明機床運動(dòng)正常，此時(shí)補償反向間隙，表現出以下特征：第三階段能補償，、二、四階段依然存在問(wèn)題。其中，階段為嚴重，加工精度偏差明顯增大。分析補償過(guò)程可見(jiàn)，隨著(zhù)間隙補償的增大，d1的移動(dòng)距離也隨之增大，兩者具有正相關(guān)性。
檢查分析后，認為故障原因包括：電機運行故障，機械系統出現故障，系統內部的部件有間隙。
為了確定故障部位和原因，打開(kāi)電機、脫離絲杠，針對各個(gè)部件進(jìn)行檢查。當電機正常運轉時(shí)，手盤(pán)絲杠的返回運動(dòng)明顯空缺，能感到軸承有序、平滑移動(dòng)。拆開(kāi)后發(fā)現，軸承發(fā)生損壞，其中一顆滾珠脫落。對此，重新更換軸承后，機床恢復正常運行，加工精度滿(mǎn)足標準要求。
1.2　機床熱變形
MH800C機床，由德國DMG公司生產(chǎn)，批量加工時(shí)零件尺寸不穩定，影響正常的生產(chǎn)活動(dòng)?，F場(chǎng)調查認為故障原因可能如下：
（1）機械部件磨損導致連接松動(dòng)。檢查各軸反向間隙發(fā)現間隙過(guò)大，傳動(dòng)皮帶的連接緊密。將反向間隙補償到坐標軸，機床重新運行發(fā)現故障依然存在，可以排除這一原因。
（2）驅動(dòng)系統受外部干擾。經(jīng)檢查發(fā)現接地良好，屏蔽裝置有效，可以排除這一原因。
（3）加工過(guò)程中機床發(fā)生變形。檢查顯示各個(gè)地腳牢固，沒(méi)有出現問(wèn)題。
對此，終懷疑是熱變形引起的。為了進(jìn)一步明確故障原因，輔助利用百分表，在機床試運行的同時(shí)進(jìn)行檢測，結果發(fā)現檢測時(shí)的位置坐標一致，但實(shí)際位置發(fā)生明顯變化；而且隨著(zhù)主軸溫度的升高，其變化值也在加大；當主軸冷卻以后，檢測值慢慢恢復正常。由此可見(jiàn)，故障原因是溫度變化引起的坐標點(diǎn)漂移，處理方法是將漂移值補償到程序中。如此，機床運行時(shí)，加工精度得以保證，工件尺寸滿(mǎn)足加工要求。
1.3　機床地基和水平不符合要求
DMU70VL立式加工中心，由德國DMG公司生產(chǎn)。為了滿(mǎn)足工藝需要，機床更換了廠(chǎng)房，但運行期間X軸方向出現超差?，F場(chǎng)調查后認為故障原因可能如下：
（1）X軸的傳動(dòng)部件松動(dòng)。例如，絲杠間隙增大，或者絲杠出現軸向竄動(dòng)。檢查分析后，發(fā)現間隙滿(mǎn)足標準，絲杠兩端也沒(méi)有松動(dòng)現象，重新擰緊后，故障沒(méi)有解除。
（2）熱變形問(wèn)題。觀(guān)察溫度表顯示溫度均勻變化，主軸溫度處于38℃左右；結合以往實(shí)踐，由熱變形引起的故障不會(huì )只有一個(gè)坐標軸出現問(wèn)題，因此可以排除。
（3）X軸自身變形?？紤]到X軸長(cháng)度約為3m，因此水平要求高，首先檢查地腳螺釘，調整機床的水平位置，結果顯示精度差異明顯減小，但一段時(shí)間后問(wèn)題再次出現。為了進(jìn)一步明確故障原因，輔助利用千分表檢測X軸絲杠，結果發(fā)現發(fā)生彎曲，終確定是機床地基問(wèn)題。移開(kāi)機床發(fā)現地面塌陷，將機床移回原來(lái)的廠(chǎng)房，結果運行恢復正常。
1.4　機床電氣參數更改
V600V數控立式加工中心，由大河機床上生產(chǎn)，控制系統采用FANUC0-M。加工運行期間，X軸間隙增大，電機在啟動(dòng)時(shí)穩定性不足。操作人員觸摸電機時(shí)，發(fā)現電機出現抖動(dòng)，處于IOB模式下的抖動(dòng)更加劇烈。調查分析后，認為故障原因如下：反向間隙過(guò)大；X軸電機出現問(wèn)題。具體檢查時(shí)，首先，補償反向間隙，結果故障沒(méi)有解除，因此可以排除這一故障；然后，借助于FANUC系統的參數功能，調試電機的伺服增益參數、脈沖功能參數，結果電機抖動(dòng)現象消除，加工精度滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。
1.5　系統參數變化或改動(dòng)
在數控機床中，系統參數主要包括進(jìn)給單位、反向間隙、零點(diǎn)偏置等。SIEMENS系統或FANUC系統是數控機床常用的控制系統，在進(jìn)給單位上分為公制、英制兩種類(lèi)型。我公司內的CS-GT儀表車(chē)床由美國哈挺公司生產(chǎn)，操作人員加工英制螺紋時(shí)，首先將進(jìn)給單位調整為英制，在加工作業(yè)完成后，沒(méi)有將其改回公制單位；而且和下一班組操作人員溝通不暢，結果導致后期加工的元件不滿(mǎn)足精度要求，甚至出現廢品。此外，機床在修理過(guò)程中，因為零點(diǎn)偏置、反向間隙、單位修改等，改變了零件的尺寸，修理完成后卻沒(méi)有及時(shí)調整相應的參數。機床隨著(zhù)應用時(shí)間的延長(cháng)，部件之間磨損加大，連接部位也會(huì )發(fā)生松動(dòng)，這也會(huì )導致參數測量值變化，應該進(jìn)行相應調整，以滿(mǎn)足加工精度要求。
1.6　保養管理不善
公司內的多臺JICK6116經(jīng)濟性數控車(chē)床在工作運行過(guò)程中，橫向尺寸或徑向尺寸出現超差。調查分析后，發(fā)現問(wèn)題在于加工產(chǎn)品的公差帶較寬，多在0.03～0.08mm之間，正常范圍則在0.005～0.025mm之間。對比可見(jiàn)，這些車(chē)床在加工中，存在精度異常故障。采用跟蹤檢查的形式，結果發(fā)現除了超差廢品以外，合格產(chǎn)品的尺寸波動(dòng)范圍滿(mǎn)足要求。對此，分析認為故障原因可能如下：
（1）X軸、伺服電機連接端承的潤滑不到位，尤其是人工潤滑不到位，或者直接使用冷卻液，對潤滑膜造成損害，導致軸承滾珠發(fā)生變形、磨損等現象。在絲杠的傳遞作用下，切削力到達軸承后，導致刀架的橫向竄動(dòng)量大小不一，因此精度超差。對此，更換新的軸承后，故障解除，滿(mǎn)足精度要求。
（2）滾珠絲杠副磨損不均勻，在切削作用下，刀架定位的精度降低，此時(shí)單純預緊絲杠螺母或者進(jìn)行間隙補償，是無(wú)法有效解決問(wèn)題的，必須更換絲杠螺母。
（3）X軸托板的導軌面不均勻，或者斜鐵磨損不均勻，此時(shí)機床運行特性變差，由于各個(gè)部位的摩阻力不一致，在切削作用下，刀架的移動(dòng)松緊也不一致，就會(huì )降低定位精度。對于這種問(wèn)題，單純調整尺寸無(wú)法解決，應該恢復導軌精度。
（4）刀架的定位銷(xiāo)孔發(fā)生嚴重磨損，由于回轉刀架的定位不，加工時(shí)的工件尺寸波動(dòng)，繼而造成精度超差。對此，更換發(fā)生磨損的部件即可。
（5）機床導軌潤滑不足，或者運行中鐵銷(xiāo)進(jìn)入導軌副之間，此時(shí)摩擦阻力明顯加大，影響機床的運動(dòng)穩定性。
實(shí)踐證實(shí)，因保養管理不善造成的精度異常故障往往具有較強的隱蔽性，由于診斷難度大，要求檢查時(shí)必須細致。從診斷處理經(jīng)驗來(lái)看，針對此類(lèi)問(wèn)題，首先由操作人員進(jìn)行查詢(xún)，了解設備加工出廢品之前的運行情況，掌握各項產(chǎn)品檢驗數據，以及關(guān)鍵工序、產(chǎn)品質(zhì)控圖等資料。輔助利用工具設備，分析加工尺寸的變化趨勢，看波動(dòng)范圍是否正常。如果波動(dòng)范圍正常但尺寸超限，此時(shí)可以先不處理，時(shí)刻監測尺寸的變化趨勢；如果波動(dòng)范圍異常且尺寸超差，此時(shí)應該及時(shí)尋找故障原因，并進(jìn)行針對性處理。
2　數控機床故障的診斷原則和方法
2.1　診斷原則
針對數控機床故障，診斷原則如下：
（1）先外后內。數控機床的外部包括機械、電氣、液壓等，故障發(fā)生后會(huì )體現在外部，因此維修人員應該從外向內排查，不要隨意拆卸或啟封，否則會(huì )擴大故障范圍、降低設備性能。
（2）先靜后動(dòng)。數控機床“帶病”運行時(shí)，會(huì )對其余部件造成損害，因此故障發(fā)生后要及時(shí)停止運行，進(jìn)行觀(guān)察和檢驗，明確故障部位和原因。如果是破壞性故障，在保障安全的前提下進(jìn)行通電檢查。
（3）先機械后電氣。機械和電氣密切相關(guān)，其中電氣系統控制機械系統，因此發(fā)生故障后應該先檢查機械系統，然后檢查電氣系統，以提高維修效率。
2.2　診斷方法
數控機床故障診斷的常用方法如下：
（1）直觀(guān)法。采用望聞問(wèn)切四個(gè)步驟，觀(guān)察機床故障現象，看報警指示燈、電容器等原件是否變形燒焦，看保護器脫扣情況；詢(xún)問(wèn)操作人員機床運行情況；聽(tīng)運行噪聲和異常聲響；聞?dòng)袥](méi)有元件燒焦的味道；觸摸機床了解發(fā)熱、振動(dòng)等情況。
（2）隔離法。針對可能發(fā)生故障的部位進(jìn)行隔離，逐漸縮小故障范圍。
（3）功能測試法。采用專(zhuān)業(yè)軟件和程序，判斷元件的運行性能。
（4）參數檢查法。RAM系統中記錄了設備的運行參數，故障發(fā)生后會(huì )對參數造成影響，出現參數變動(dòng)或混亂應檢查這些參數，以判斷故障類(lèi)型和原因。
（5）同類(lèi)對調法。使用相同功能的元件代替故障元件，從而明確故障原因。
3　加工精度異常的預防措施
3.1　加強采購管理，提高機床質(zhì)量
從數控機床本身來(lái)看，如果生產(chǎn)質(zhì)量有缺陷（例如結構剛度低、裝配質(zhì)量差），運行時(shí)就會(huì )帶來(lái)加工精度異常。對此，設備安裝要嚴格按照說(shuō)明書(shū)，提高地基強度，以滿(mǎn)足承重和抗震要求；科學(xué)接地，電氣柜中的動(dòng)力線(xiàn)、信號線(xiàn)要分開(kāi)布設，增強機床的抗干擾能力。
3.2　定期開(kāi)展維修保養工作
分析以往機床加工精度異常的原因，維修保養不到位是一個(gè)重要原因，會(huì )導致機床導軌、回轉刀架、主軸、分度工作臺等部位的潤滑性差，機床運行期間會(huì )增大摩擦和損耗，久而久之造成精度降低。此外，機床操作不合理，存在超負荷運行的情況，也會(huì )造成精度異常。
3.3　提高操作人員的技能素質(zhì)
一方面，要樹(shù)立高度責任心，熟練掌握機床的操作流程和技巧，生產(chǎn)過(guò)程中觀(guān)察機床的運行情況，看有無(wú)發(fā)生異?，F象，提高加工精度；另一方面，要不斷提升技能水平，企業(yè)應該定期開(kāi)展培訓活動(dòng)，學(xué)習先進(jìn)的工藝技術(shù)，掌握維修技巧和方法，一旦發(fā)現異常及時(shí)處理，避免出現嚴重故障，將經(jīng)濟損失降至低。
4　結語(yǔ)
綜上所述，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數控機床得以在制造行業(yè)普遍應用，且獲得行業(yè)青睞。本文結合實(shí)際案例，從機械傳動(dòng)部件故障、熱變形、地基和水平不符合要求、電氣參數更改、系統參數變化或改動(dòng)、保養管理不善等方面，介紹了加工精度異常的原因和處理方法。在企業(yè)生產(chǎn)中，只有加強采購管理，定期開(kāi)展維修保養工作，提高操作人員的技能素質(zhì)，才能提高加工精度，促進(jìn)企業(yè)可持續發(fā)展。